水性聚氨酯粘合劑性能影響因素及改性研究

李芳亮

（哈爾濱市展望化學制品有限公司）

摘 要：水性聚氨酯是使用水作分散介質的新型的聚氨酯體系材料，因此又稱為水分散聚氨酯或水系聚氨酯等。水性聚氨酯因為使用水位溶劑，因此使得水性聚氨酯具有無污染、性能安全可靠、機械性能優異、相容性好，并且改性較為方便等優點。根據分類，可將水性聚氨酯分為聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液。因為水性聚氨酯的一系列優點，使這種材料越來越受到重視，本文通過對水性聚氨酯粘合劑的性能的影響因素及改性方法的探討，為水性聚氨酯的應用提供理論基礎。

關鍵詞：水性聚氨酯；性能；影響因素；改性研究

前言

聚氨酯彈性體是一種特殊的材料，具有鮮明特點、性能優異的熱塑性樹脂材料。水性聚氨酯粘合劑是聚氨酯彈性體材料中的一類，雖然這種材料被使用的時間不長，但是發展速度較快，綜合性能提高速度也較快，目前已經和溶劑型的聚氨酯品質相似。溶劑型聚氨酯黏合劑在施膠過程中通常需要加入大量的有機溶劑以降低黏度，方便使用。有機溶劑具有易揮發、易燃、易爆、有毒、污染環境的一些特點。近些年來，隨著對環境保護的重視程度加大，各國環保法對VOC（Volatile Organic Compound）含量的限制也在變得更加嚴格，這使得水性聚氨酯快速發展起來，通過改性手段提高水性聚氨酯的性能和使用性能，使其成為當前聚氨酯樹脂的主要發展方向之一。

1 水性聚氨酯的結構與性能概述

1.1 聚氨酯彈性體的結構與性能

聚氨酯的定義是指分子主鏈上含有較多氨基甲酸酯基團（-NH-CO-O-）的一類高分子聚合物。聚多個氨酯的鏈段結構比較特殊，是多個嵌段共同聚集在一起的結構，其中軟段與硬段是分開的，交替出現的。聚氨酯彈性體中，軟段和硬段的熱力學指標具有不相容性，因此導致其具有明顯的微相分離結構，軟段在其中具有提供彈性的作用。因為聚氨酯這些獨特的物理和化學結構，使這種材料具有很多優良的性能，其中優良的力學性能有：（1）耐磨性能相比于同樣作用的其他材料好很多；（2）具有較高的彈性，并且可以在很寬的硬度范圍內（邵氏A10至邵氏D80）保持；（3）具有很高的強度；（4）優異的減震性能；（5）表面粘接性能突出。其綜合性能是其他商品化的橡膠和塑料所不具備的。

1.2 水性聚氨酯合成方法對性能的影響

水性聚氨酯粘合劑的制備方法有兩種，分別是內乳化法和外乳化法。外乳化法是使用外乳化劑讓其強制乳化的方法，但是形成的乳液性能不夠穩定，并且使用的乳化劑都是小分子的，很容易造成殘留，影響聚氨酯的品質。目前的制備方法來看，使用最多的是內乳化法，也就是在聚氨酯分子鏈段中加入親水性成分，不需要使用乳化劑就可以得到穩定的乳液。聚氨酯水性化需要的沁水基團有陰離子型、陽離子型、兩性離子型和非離子型幾類，這幾類形成的產物在性能上具有較為明顯的差異。陰離子通道有兩種，分別為羧酸型和磺酸型，羧酸型的在進行制備時需要使用二羥甲基丙酸（DMPA），這種制備方法的優點是產物分子量小，并且因為位阻作用使得羧基的大部分被保留下來，保障了較高的乳化效率。磺酸型的使用需要加入SO3-Na+基團，讓其具有親水性，從而讓產品的耐水性比羧酸型號，但是這種方法在國內很少被使用，羧酸型的方法制備的水性聚氨酯性能較好，應用也更加廣泛。陽離子型的方法要使用N-甲基二乙醇胺來使產物獲得親水性，但是這種陽離子水性聚氨酯的性能不夠穩定，對電解質又過于敏感，因此，這種方法的研究和使用都不夠廣泛，但是這種對于含有陰離子的基質有非常好的粘結性能。兩性離子型和非離子型使用的較小，相關研究和報道也比較少。根據擴鏈反應歷程不同，內乳化法又可分為丙酮法、預聚體分散法、熔融分散法、酮亞胺連氮法四大類。丙酮法制得的水性聚氨酯乳液的性能穩定，分子量相對而言較高而分布較窄，因此具有較好的力學性能，重復性也較高；但是制備需要用大量的有機溶劑，成本很高，效率低下，反應速率制約著生產效率，通常用來制備線性聚合物。預聚體分散法的產品質量不佳，不如丙酮法制備的產品，但是這種方法不需要使用大量的有機溶劑，通常用來制備有支化度的聚氨酯乳液。熔融分散法不使用有機溶劑，生產工藝簡單，產物分子量較小，性能不佳。酮亞胺連氮法使用芳香族異氰酸酯來制備水性聚氨酯，這種反應容易控制反應進程，可以獲得性能優良的芳香族水性聚氨酯。

1.3 軟段對性能的影響及硬段對性能的影響

聚氨酯彈性體的軟鏈段主要作用是使材料具有彈性，并且在低溫時，軟段的性能更突出，拉伸性也是軟段的貢獻。通常情況下，聚酯型聚氨酯彈性體的物理機械性能要優于聚醚型聚氨酯彈性體，但是聚醚型聚氨酯的耐水解性和低溫柔順性比聚酯型聚氨酯更好。聚醚軟段的玻璃化轉變溫度較低，因此在低溫時適用范圍比較廣。聚醚或聚酯軟鏈段的規整度提高都能使其結晶度提高，因此，可以改善材料的抗撕裂性能和抗拉強度，同時聚合物的滯后特性也隨之增加。硬段結構是由低分子量的聚氨酯基團或聚脲基團組合成的彈性體的主鏈間相互作用很大程度上由這些基團的性質所決定，微相分離和氫鍵作用帶來的物理交聯結構野獸基團性質的影響。異氰酸酯原料的結構對聚氨酯彈性體的性能起著關鍵作用，這種材料龐大的體積可以引起較大的鏈間位阻，讓材料具有更高的撕裂強度和模量。

2 水性聚氨酯的研究現狀及研究方面

2.1 水性聚氨酯的研究現狀

水性聚氨酯的由來，要追溯到1943年，德國化學家Schlack因使用外乳化劑強制性攪拌制得了水性聚氨酯，但在當時以及隨后對的30余年內，水性聚氨酯沒有被發現并的一重用。20世紀以后，人們對環境友好型產品越來越重視，才使水性聚氨酯重新出現在人們的視野中，水性聚氨酯被廣泛使用。近10年，水性聚氨酯改性的技術不斷發展，產品性能也在逐漸提高，使其適用范圍更加廣泛。

2.2 本體改性

聚氨酯彈性體的組成結構特殊且復雜，改性使用的原料種類也十分豐富，不同的原料的組合，會形成不同性能的材料。國外對不同組合原料搭配制得不同材料的研究較多，例如使用聚碳酸酯二醇制得的材料具有高強度和耐水性等等。島田繁制得一種主鏈上含有烯基多元醇的水性聚氨酯材料，這種材料具有良好的粘接能力。同樣，通過使用聚丙烯二元醇及二輕甲基丙酸制得的水性聚氨酯粘合劑的性能較好，可以粘接聚乙烯、聚丙烯等很難粘接的材料，讓水性聚氨酯材料的適用范圍更廣。

2.3 共混改性

除了本體改性，聚氨酯也可以通過與離子性和酸堿性相似的乳液進行混合，達到改性的結果。最常使用的是PA乳液，這種共混改性的結果使PU得最初粘力和附著力，此時的共混樹脂的強力也被提高。有研究表明，水性聚氨酯也可以與其他物質共混來提高其功能，例如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、環氧樹脂等。

結束語

水性聚氨酯起源于德國，國外對水性聚氨酯的使用更加廣泛，發展時間更長，水性聚氨酯使用的原料更加豐富、齊全，制得產品質量較為穩定，并且具有一定的差別化。但是在國內，水性聚氨酯的性能仍比較單一，MDI或TDI與PPG、DMPA的組合使用較多，其他品種很少被使用。這種現狀很可能與產品價格較高，且國內對水性聚氨酯需求不多有關。但是，水性聚氨酯在航天、軍工等特殊行業有很大的用處，國內對水性聚氨酯的研究和開發需要提高。

參考文獻

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